แสงเลเซอร์ ถูกค้นพบเมื่อใด มีหลักการทำงานสำคัญอย่างไร

เชื่อว่าในปัจจุบันเราต้องรู้จัก และเคยได้ยินแสงชนิดหนึ่งที่ถูกใช้งานในหลากหลายด้าน เป็นเทคโนโลยีที่ถูกพัฒนาขึ้นมาจากอดีต จนถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย ซึ่งเราเรียกกันว่า “แสงเลเซอร์“ แน่นอนว่าบทบาทของแสงชนิดนี้ถูกนำมาใช้ในแง่มุมต่างๆ มากมาย ไม่ว่าจะเป็นการนำเอาเลเซอร์มาใช้เป็นส่วนประกอบของฉากในภาพยนตร์ที่เกี่ยวข้องกับโลกอนาคตในฐานะของอาวุธยุคไฮเทค หรือการใช้เป็นวัตถุทำลายล้างสิ่งต่างๆ ที่มีพลังอย่างมหาศาลตามมุมมองของนักสร้างหนัง ไปจนถึงบทบาทที่ใช้ในการเยียวยาผ่าตัด

ในโลกที่มีความทันสมัย แสงเลเซอร์จึงกลายมาเป็นจุดสนใจของผู้คน และไม่ใช่เรื่องที่ดูแปลกใหม่มากจนเกินไปอีกแล้ว แต่เชื่อว่ายังมีผู้คนที่เกิดความสงสัยว่าแสงเลเซอร์เกิดขึ้นมาได้อย่างไร และมีประโยชน์อะไรบ้าง?

หลักการทำงานของเลเซอร์

แสงเลเซอร์เป็นแสงที่มีคุณสมบัติต่างจากแสงชนิดอื่นๆ มีความพิเศษเฉพาะตัว ลำแสงถูกบีบอัดจนมีขนาดเล็ก ความเข้มสูงมากกว่าแสงทั่วไป และมีความเบี่ยงเบนน้อย เรียกได้ว่าเป็น low-divergence beam และมีความถี่แสงเพียงความถี่เดียวเท่านั้น

เลเซอร์ ในภาษาอังกฤษถูกเรียกอย่างเป็นทางการว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation หรือที่เราเรียกกันสั้นๆ ว่า laser เป็นความหมายที่นิยามถึงลำแสงชนิดนี้ว่า การขยายแสงด้วยหลักการแผ่รังสีแบบกระตุ้น

“การขยายแสง” จะหมายถึงการเพิ่มจำนวนของโฟตอนหรือความเข้มแสงให้ดีขึ้นกว่าปกติ โดยทั่วไปอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ในชั้นพลังงานระดับต่ำ ถือว่าเป็นชั้นปกติ คือ E1 เนื่องจากเป็นสภาวะที่มีความเสถียรมากกว่า อะตอมหรือโมเลกุลจะถูกกระตุ้นให้มีการดูดกลืนแสงหรือพลังงาน ที่ช่วยทำให้อะตอมหรือโมเลกุลขยับขึ้นนไปอยู่ในชั้นที่มีพลังงานสูงกว่าเดิมหรือ E2 อย่างไรก็ตามสถานะของพลังงานในชั้นนี้จะไม่มีความเสถียร อาจคงตัวได้เพียงระยะสั้นชั่วคราวเท่านั้น ก็จะคลายพลังงานออกมา เพื่อให้ตัวมันเองกลับเข้าสู่สภาวะเสถียรในชั้นพลังงาน E1 อีกครั้ง

เพราะฉะนั้น พลังงานที่อะตอมหรือโมเลกุลปล่อยออกมาจะมีค่าเป็นผลต่างระหว่างพลังงาน E2-E1 การคายเอาพลังงานดังกล่าวออกมา หรือไม่ว่าจะเป็นการเปล่งแสงก็ตาม จะเป็นไปตามกระบวนการทางธรรมชาติ ซึ่งเรียกว่าการเปล่งแสงแบบเกิดขึ้นเอง (Spontaneous Emission)

อย่างไรก็ตาม การเปล่งแสงเมื่อถูกการเร้า (Stimulated Emission) ซึ่งถือว่าเป็นหลักการสำคัญของเลเซอร์ จะต่างจากการเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติข้างต้น เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลถูกดันให้ขึ้นไปอยู่ในระดับที่สูงกว่าคือ E2 โดยการฉายแสงเข้าไป แสงที่เข้าไปนั้นจะต้องมีค่าพลังงานเท่ากับผลต่างของชั้นพลังงาน E2-E1 ไม่ว่าจะเป็นพลังงานที่อะตอมหรือโมเลกุลดูดกลืนเข้าไป

แสงดังกล่าวที่เข้าไปนี้จะทำให้เกิดการคลายพลังงานที่ดูดกลืนเอาไว้ก่อนเวลา ทำให้แสงที่คลายออกมามีขนาดเท่าๆ กันกับแสงที่ฉายเข้าไปเป็นตัวเร้า ไม่ว่าจะเป็นทิศทาง หรือการเคลื่อนที่ก็จะเป็นแบบเดียวกันทั้งสิ้น รวมไปถึงเฟสของคลื่นก็จะเป็นแบบเดียวกัน ด้วยหลักการดังกล่าวจึงถูกนำมาใช้ในเทคโนโลยีการทำเลเซอร์ในปัจจุบัน อะตอมหรือโมเลกุลของเนื้อวัสดุที่นำมาใช้สำหรับการทำเลเซอร์ จะต้องอยู่ในสภาวะที่ถูกกระตุ้น แสงจะเคลื่อนที่ผ่านเนื้อวัสดุของเลเซอร์ที่ถูกกระตุ้นแล้ว ก็จะยิ่งทำให้เกิดการคลายแสงที่มากขึ้นกว่าเดิม เพิ่มความเข้มข้นแสงมากขึ้นไปในตัว เราก็จะได้จำนวนโฟตอนสูงขึ้น

หลักการนี้เป็นการขยายแสงเพื่อให้โฟตอนมีจำนวนมากขึ้นพอที่จะนำไปใช้งาน โดยการใช้กระจก 2 ชิ้นวางขนานกันเอาไว้ที่ปลายสองด้านของเนื้อวัสดุ โดยกระจกที่นำมาใช้ถูกเรียกว่า Optical Cavity มีหน้าที่สะท้อนให้โฟตอนวิ่งไปมาในเนื้อวัสดุที่เป็นตัวกลางของเลเซอร์ในประมาณที่มากพอ จนได้ความเข้มข้นสูงก็จะเกิด Gain ที่มีค่ามากกว่าพลังงานของระบบลำแสง ทำให้เกิดการพุ่งออกมาของเลเซอร์

เราพบว่าเลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีคุณสมบัติพิเศษ เรียกว่า โคฮีเรนต์ (coherent) ซึ่งหมายถึงแหล่งกำเนิดแสงที่มีเพียงแค่แสงเดียว มีเฟสเดียว มีทิศทางที่แน่ชัด ไม่มีบิดเบี้ยว และมีความเข้มข้นของแสงสูง

ส่วนประกอบเครื่องฉายเลเซอร์

1. เนื้อวัสดุที่ใช้สำหรับทำเป็นตัวกลางเลเซอร์ เรียกว่า “Laser Medium”
2. การปั๊มพลังงานที่ช่วยให้เนื้อวัสดุซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกลางถูกกระตุ้น
3. ตัว Optical Cavity

แสงเลเซอร์ถูกค้นพบเมื่อใด ?

ในปัจจุบันเลเซอร์คือ อุปกรณ์ที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีพลังงาน คุณสมบัติหลากหลาย ถูกนำไปใช้งานและการออกแบบ ซึ่งการค้นพบแสงเลเซอร์เกิดขึ้นในปี ค.ศ.1954 โดย ซี. เอช.ทาวน์ส (C.H. Townes) มีการเสนอเป็นหลักทฤษฏีเกี่ยวกับเลเซอร์เอาไว้ โดยผลงานที่ปรากฏในครั้งนั้น เป็นที่ยอมรับจนทำให้เขาได้รับประกาศเกียรติคุณรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1964

ในหลักการของซี. เอช.ทาวน์ส ที่ปรากฏชัดขึ้น กลายเป็นตัวผลักดันให้มีการศึกษาเรื่องของเลเซอร์เพิ่มมากขึ้น การพัฒนาเทคโนโลยีทางด้านเลเซอร์ที่ที่มีวิวัฒนาการเพิ่มมากขึ้นมาเรื่อยๆ ตามลำดับ จนในเดือนพฤษภาคม ปี ค.ศ.1960 ทีโอดอร์ ไมแมน (Theodore Maiman) ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับแสงเลเซอร์เพิ่มเติมที่สถาบันวิจัย ฮิวจ์ (Hughes Research Laboratories)

โดยมีการนำเอาหลักการของ ซี. เอช.ทาวน์ส มาใช้ร่วมกับการประดิษฐ์เลเซอร์ได้เป็นเครื่องแรกของโลก ซึ่งเลเซอร์ที่ได้ทำจากทับทิม (Ruby L aser) อยู่ในกลุ่มของเลเซอร์ของแข็ง จากนั้นในปีเดียวกัน จาแวน (Javan) ก็ได้ทำการประดิษฐ์เลเซอร์ที่มาจากก๊าซฮีเลียม – นีออนได้สำเร็จตามมา การพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ยังคงดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง โดยมีการผลิตลักษณะของเลเซอร์รูปแบบต่างๆ ขึ้นมาเป็นจำนวนมากมาย ไม่ว่าจะเป็นจากของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และไดโอด ซึ่งเป็นชนิดของสารกึ่งตัวนำ